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油藏储层内有机-无机相互作用信息提取与烃源岩精细对比技术研究进展

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第16卷第5期 2005年10月 天然气地球科学 6 ()2005 天然气地 质学 油藏储层内有机一无机相互作用信息提取 与烃源岩精细对比技术研究进展 王 琪,史基安 (中国科学院地质与地球物理研究所兰州油气资源研究中心,甘肃兰州730000) 摘要:指出油藏储层中的自生矿物和流体包裹体及其所含的烃类生物标志物,记录了油气藏流体 在空间和时间上的非均质性分布特征,是油气流体充注储层过程时所发生的有机一无机相互作用 信息的载体;近年来飞速发展的油藏储层固体一流体微区定量分析技术,已经成为储层地球化学和 油藏地球化学研究的有效手段,在该领域所取得的研究成果和进展充分证明,运用该项新技术对油 藏储层分析所获得的信息,已经远大于对油藏原油定量分析所获得的信息。认为通过油藏储层内烃 类组分与烃源岩地球化学特征的分类对比极有可能成为判明我国陆相盆地多源多期复合油藏中不 同充注期次烃类来源最有效的解决方案。 关键词:油藏储层;有机一无机相互作用;油一岩精细对比 中图分类号:’。1 文献标识码:A 文章编号:1672—1926(2005)05—0564—07 0 前言 含油气盆地的沉积岩层,在埋藏、沉降过程中会 发生埋藏水成分的变化,分散有机质的转化,石油的 生成、运移和聚集,粘土矿物的各种转变,碳酸盐和 硅酸盐矿物的溶解和新生,各种气体的逸出、浓集和 扩散等等。油藏储集层是发生上述地球化学反应的 最主要场所。在油气成藏过程中,储层中所发生的矿 物一岩石、有机一无机相互作用不仅受控于盆地类 型、沉积环境及储集岩的结构构造和矿物组成特征, 而且还受到构造运动、油气运聚过程、烃源岩类型和 热演化特征以及储层成岩演化阶段等多种因素的制 约n]。近10多年来,随着油藏储层中有机一无机相 互作用机制的深入研究 以及流体包裹体分析测 试技术 和成岩自生矿物分析技术,尤其是同位 素年代分析技术的不断提高口 ],油藏储层研究已 经从宏观向微观、定性向定量方向发展对油藏 储层进行研究的目的已不仅限于为了掌握储层孔隙 演化规律和对储层物性进行预测。目前许多学者通 过对储层微区和超微区固相、液相及气相组分的定 量分析,重构了油气藏的运聚过程,确定了油气成藏 期次和成藏年代,并取得了大量的研究成果 。 烃源岩中有机质类型、丰度、同位素特征以及生 物标志化合物分布等地球化学特征与其沉积环境密 切相关因此,多年来人们一直根据原油与烃源 岩的地球化学特征信息进行油一源对比 。我国 西北地区的主要含油气盆地大都具有多期构造演化 和多套烃源岩叠置的特征由于不同烃源岩存在 有机相特征和成熟度的差异[3 ],致使具有多源单 储或多源多储特征的多源多期复合油藏中的烃类组 分发生了复杂的混合作用、氧化还原反应和生物降 解作用。要判明这类油藏不同充注期次烃类的来源, 仅仅根据烃源岩与原油地球化学特征信息的对比是 非常困难的[3卜 J。目前日益成熟的油藏储层固体、 流体微区定量分析技术,使得定量测定油藏中不同 充注期次烃类组分的地球化学特征成为可能。因此, 油藏储层内烃类组分与烃源岩地球化学特征的分类 对比极有可能成为判明多源多期复合油藏中不同充 注期次烃类来源的最佳解决方案。 收稿日期:2005—05—19;修回日期:2005—08—2O. 基金项目:国家重点基础研究发展规划项目(编号:2003国家自然科学基金项目(编号:40072050,40272065)资助 作者简介:王琪(1967)男,山东牟平人,研究员,在职博士生,主要从事储层地球化学研究.E—zb.ac.维普资讯 .5 王琪等:油藏储层内有机一无机相互作用信息提取与烃源岩精细对比技术研究进展 565 1 国内外相关研究进展 1.1对储层有机包裹体组分定量分析,判明早期注 入流体有机质成分和充注条件 在含油气盆地油气藏形成初期,伴随着储层自 生矿物的生长,在其解理、裂隙或晶体缺陷中常可形 成大量流体包裹体。随着储层含油饱和度的增加,矿 物与流体之间的反应受到抑制或中止,自生矿物的 生长逐渐停止。因此储层流体包裹体不仅直接记录 了油气成藏的条件和过程,也使早期注入储层的烃 类流体得到了良好的保存_3 卵]。由此可见,通过对 储层中有机包裹体组分的定量分析,可获得油藏中 早期注入烃类成分等重要信息,并可以弥补传统方 法的不足口 。通过对流体包裹体中有机质成分与 油气藏中有机质成分的定量分析与对比,可确定各 期次烃类流体的成藏贡献[4 。对流体包裹体成分的 分析,最常用的是采用微区微束分析方法(包括显微 荧光光谱、R、激光拉曼光谱等)。这种方法主 要分析包裹体中气体和轻烃组分。近年来,被愈来愈 多研究者使用化学抽提和物理破碎相结合的方法, 从分子级水平研究烃类包裹体生物标志化合物特 征,并取得良好的效果这为实现油藏储层内烃 类组分与烃源岩的分类对比,判明油藏中不同充注 期次烃类流体的来源奠定了基础。 1.2对储层自生矿物定量分析,确定各期次烃类注 入时间及顺序 成岩作用贯穿着储集岩的整个埋藏过程,成岩 反应受孔隙流体、介质环境(组分、温度、流体 流动和交换等因素控制,储集岩中自生矿物的形成 是水一岩作用的结果_2 。烃类流体注入储层后改变 了其中的地球化学环境,使某些矿物的生长受到抑 制,甚至发生溶解或蚀变,同时也会形成另外一些矿 物。过对密西西比州布莱克溪油田上 侏罗统斯马科弗组埋藏阶段有机一无机相互作用的 深入研究后发现,3个显著的埋藏成岩作用阶段与3 个有机质成熟相相对应:生油窗前成岩作用以沥青 前方解石胶结物沉淀为主;生油窗内成岩作用以含 水层内白云石和硬石膏沉淀及油柱内固体沥青形成 为特征;生气窗内成岩作用以热化学硫还原(为主,导致了烃类破坏、硬石膏溶解、大量H S、 经过对烃类与矿物之间氧化一还原反应的详细研究 指出,当油气进入含矿物氧化剂和碳酸盐或硫酸盐 粒间胶结物的砂岩中后,烃类(原油中饱和烃和芳 烃)可被赤铁矿(或硫酸盐类)氧化成含氧有机化合 物,而赤铁矿(氧化剂)则被烃类还原成黄铁矿(或绿 泥石)。过对北海伊利石矿物K—研究,指出该区砂岩储层在石油侵位之前存在大 量自生伊利石形成作用。王飞宇等 通过对塔里木 盆地塔中和塔北隆起石炭系东河砂岩伊利石的K— 定伊利石形成于240~ 290 a。此外,通过对储层中成岩矿 物稳定同位素的分析,可提供有关储集岩中胶结物 的来源、沉淀温度和相对形成的时间等信息 。 因此,通过对储层自生矿物的定量分析,不仅可以确 定自生矿物的形成时间、顺序和形成环境,而且还可 以确定烃类注入的时间,提供充注时流体的特征等 信息。 1.3对油藏储层依次抽提,检测早期注入油藏烃类 的地球化学特征 1996年通过对油藏储层中残余 沥青的微观分布和分子分馏作用的深入研究后指 出,早期进入孔隙的石油将强烈地与矿物颗粒接触 并相互作用,而后续的石油吸附在早期石油的表面。 并认为那些封闭和滞留在极性化合物内和吸附于矿 物表面的早期进入储层的烃类,由于它们的流动性 受阻,可能会保留一些最初的特征,即大都具有较低 的成熟度、脂肪酸中重质组分偏多和极性化合物的 浓度较高等_4 ,这就是“洋葱皮模型”的核心思想。 据此 提出运用依次(分步)抽提法来 检测早期注入油藏烃类的地球化学特征。近期的研 究表明,运用依次抽提法不仅可以有效地测定包裹 体中的中一高分子量烃类 ∞ ,而且可以测定吸 附于储层封闭孔隙矿物颗粒表面的早期注入烃类的 有机质组成特征 。研究结果证明,储层中游离 烃、封闭烃及束缚烃的地球化学特征常具有明显的 差异。这反映了许多油藏中不同充注期次的烃类来 源于不同的烃源岩 鹃j。 1.4运用油源精细对比技术,确定复杂油藏不同充 注期次烃类的母源 由于生物标志化合物对比参数的示源性、稳定 性和可比性,多年来一直被广泛运用于油源对比的 研究,并取得了大量研究成果_5 。近年来,随着地 球化学(特别是有机地球化学和同位素地球化学)分 析技术水平的不断提高,出现了一些更加精细的油 源对比方法,如:原油族群划分和精细对比 ” 、分 子地球化学成熟度参数(包括烷烃类参数、芳烃类的 维普资讯 【.16 萘系列、菲系列、联苯系列、二苯并噻吩系列等) 、 单体烃稳定同位素组成 、中一高分子量烃类的生 物标志化合物 ]、气体稳定同位素等等油源对比 方法。由于生油岩的热演化作用和生物降解作用也 可对储层原油性质产生重要影响_6 ,目前人们已经 认识到,对于多源、多期充注、原油已发生明显混合 作用的油藏,根据原油与烃源岩的地球化学特征对 比来区分不同充注期次烃类的母源是非常困难 的~34,35]。对于多源多期复杂油藏的油源对比研究, 不能仅仅根据原油与烃源岩的地球化学参数进行比 较,需充分考虑古环境特征、母质类型、热演化程度、 有机质氧化还原作用程度、运移作用和生物降解作 用等影响因素,这样才能辩证地认识石油与烃源岩 之间的成因联系_2。]。特别是只有确定了早期充注烃 类的组分特征,才能对现今石油的生物降解和混合 作用进行正确的评价 。]。 2 存在问题与思考 随着油藏储层自生矿物和包裹体定量分析技术 的提高,近年来许多学者通过对储层自生矿物及包 裹体有机质分布的定量和半定量分析研究,解决r 许多有关储层水一岩作用机理、油气运聚过程及成 藏期次和成藏年代等问题,并取得了许多重要成果 和进展。毋庸置疑,油藏储层中的自生矿物和包裹体 是记录了大量油气成藏条件及各充注期次烃类特征 等信息的固体、流体微化石这可能成为研究多 源多期复杂油藏不同充注期次烃类特征、来源及混 合作用的最佳研究途径。但是目前国内外还没有大 量开展这方面的研究工作,在研究思路和研究方法 等方面还存在许多问题和难点有待解决。 2.1 不同赋存状态烃分离测试技术 目前人们已经认识到油气藏充注过程是一个持 续过程,由于持续注入的油气组分常常存在母质类 型和成熟度的差异,油气注入储层后存在储层物性 和油藏特征差异,以及原油的生物降解作用和热降 解作用的影响,因此常造成在同一个油藏不同部位 的油气组分存在着差异性(非均质性) 刚。而 且现在油藏中的原油大都已发生混合作用和生物降 解作用,其中部分特征(如生物标志化合物、原油物 性等)已发生很大变化油气包裹体被认为是封 存在矿物中的古油气组分,已经进行了大量研 究[ 。近年来随着油藏储集岩依次(分步)抽提 方法的大量运用及试验方法的逐步成熟,已经成为 剖析各充注期次烃类组分的有效手段。但是怎样确 定油藏储集岩中游离烃、束缚烃和包裹体烃的充注 时间、如何解释它们之间差异,还有待进一步研究。 此外,由于油藏储集岩中有机包裹体具有个体小、类 型复杂,形成时间跨度大等特征,运用电子探针显微 分析(激光拉曼分子微探针分析( 扫描电镜/能谱分析(二次离子质谱探 针分析(微区一谱学的方法],只能分析 包裹体中的气体和轻烃组分 孔 。而运用分步抽提 方法虽能定量测定包裹体中高分子量烃类,但该方 法只能获取包裹体群的混合烃组分,因此如何科学 地定量测定这些不同充注期次烃类(包括包裹体烃) 的生物标志化合物和单体烃同位素组成,还有大量 工作要做。 2.2指示油气聚集历史和各充注期次油气特征的 自生矿物标志 油藏储层中自生矿物的形成和演化与储集岩埋 藏过程(包括时间、深度、温度等的变化)和孑地球化学环境变化密切相关,而油气的大量侵入 可抑制储层中自生粘土矿物的生长,因此近年来许 多学者通过对自生矿物的研究来确定油气成藏时 间 1 7,68,69 J。由于油气聚集过程中水一油一岩相互 作用(包括从早期富含有机酸溶液进入储层直至晚 期油气大量注入),对油藏储层中自生矿物的形成和 转化产生着重要影响,许多自生矿物在生长过程中 均可捕获流体形成大量包裹体(包括有机包裹体)。 如在研究南德克萨斯现,晶洞内自生矿物的共生次序为:海相胶结物; 大气胶结物;埋藏胶结物增生在大气胶结物之上,并 含烃类包裹体;石油在孔隙周边形成近似连续的油 膜;晚期成岩方解石明显沉淀在石油从孑去之后。英国学者妇通过对埋藏条 件下充填孑研究发现,其核心为方解石,中部和外缘分别为白 云石和方解石,这些胶结物中均保存着不同的不稳 定的有机化合物(如未饱和的脂肪酸),对这些有机 化合物的研究表明,核心方解石胶结物形成于硫酸 盐还原带,中部的白云石源于甲烷和铁离子的还原, 外缘纤维状方解石则为晚期细菌作用形成,它们不 同的形成环境均可反映在其中所含的生物标志化合 物分布特征上。因此,可以说通过对储层自生矿物的 研究,不仅可以确定油气成藏时间,而且可以判断储 层地球化学环境的演变过程,进而推断不同充注期 次富含油气流体的地球化学特征。但是,目前尚未建 立能够反映油气聚集历史和各充注期次油气特征的 维普资讯 .5 王琪等:油藏储层内有机一无机相互作用信息提取与烃源岩精细对比技术研究进展 567 自生矿物标志特征,特别是对于油气充注历史和条 件变化最为敏感的碳酸盐胶结物的研究有待进一步 深入。最近的研究已经认识到,油气聚集期形成的碳 酸盐矿物不仅包含大量油气包裹体,而实际上它是 一种复杂的聚合产物——成岩地球生物聚合物,它 是一个在空间及时问上具有很高组织程度的亚稳定 敏感系统,在储层成岩碳酸盐矿物发育过程中与外 部环境相互作用,并在外部环境影响及内部因素作 用下发生变化_7 。因此,可以根据碳酸盐矿物的内 部结构参数对油气藏的岩石一烃一水系统进行相态 划分口引,但划分的标志和方法并不清楚。目前油藏 储层的分步抽提方法已经逐步成熟,在技术上完全 有可能从储集岩中分别抽提出自生碳酸盐矿物(胶 结物,主要为方解石和白云石)和自生硅酸盐矿物 (主要是石英和长石)中包裹体烃,并且可以对其生 物标志化合物及单体烃同位素进行定量分析,这对 于了解不同充注期次烃类特征及来源具有重要意 义,但是这方面研究工作目前基本没有开展。 2.3流体包裹体中的微量元素信息提取技术 由于成矿溶液在迁移过程中,其中所含的微量 元素也随之迁移,并呈规律地分布在矿产和围岩中, 因此人们可以根据这些微量元素的分布规律,追溯 热液或成矿溶液的源头,对矿藏的成因做出合理的 解释口 。由于烃源岩的有机质在其沉积过程中富集 了特殊的微量元素,它生成的油气流体可将烃源岩 中特有的微量元素组成继承下来,并以各种形式保 存在油藏储层中,这种微量元素组成像指纹一样记 录了母岩的遗传信息,而且不因油藏破坏、氧化还原 反应和生物降解作用而变化因此,通过对油藏 储层中烃类、包裹体、自生矿物以及固体沥青中微量 元素组成特征的分析,并与烃源岩微量元素组成进 行对比,便可发现它们之间的亲缘关系,从而对不同 充注期次烃类的来源做出客观判断,这方面的研究 已愈来愈受到人们的重视。如金强过对我国南 方扬子地区下古生界碳酸盐岩中固体沥青和可能烃 源岩的微量元素及碳同位素定量分析,成功地找到 了固体沥青真正的源岩。过对澳大 利亚伊拉希迪盆地白云岩化灰岩中所含的固体沥青 和金属硫化物微量元素的定量分析,找到了不同期 次油气活动的证据,并对各次油气的特征和来源进 行的分析。近年来微区微量元素分析技术的迅速发 展,使我们不仅可以使用压碎一淋滤或高温爆裂 淋滤流体包裹体方法。用体中的微量元素和稀土元素而且可以使用激 光熔样 岩石中自生矿物和单个包裹体的微量元素和稀土元 素进行定量分析口 州,以此获得成矿过程中流体地 球化学的信息,但目前在油气藏的研究中还未使用 该项技术。如何运用激光熔样蚀体的元素地球化学特征进行定量分析,恢复油气 充注各阶段(尤其是早期阶段)油气的元素地球化学 特征,并通过对可能的烃源岩进行精细对比,这对于 查明油气充注过程、客观评价油气区的油源具有非 常重要的理论和实际意义。 3 展望 储层的成岩史贯穿着整个油气藏的形成过程, 油藏储层中的自生矿物、流体包裹体及其所含的烃 类生物标志物,记录了油气藏流体在空间上和时问 上非均质分布特征。它们是油气流体充注储层过程 时所发生的有机一无机相互作用的见证者。近年来 飞速发展的油藏储层固体 流体微区定量分析技 术,已经成为储层地球化学和油藏地球化学研究的 有效手段。在该领域所取得的研究成果和进展充分 证明,运用该项新技术对油藏储层分析所获得的信 息,已经远大于对油藏原油定量分析所获得的信息。 因此,通过对油藏储层固体一流体微区定量分析及 其与可能的烃源岩进行分类对比,势必成为判明我 国陆相盆地多源多期复合油藏中不同充注期次烃类 来源最有效的解决方案。 通过应用岩石学、矿物学和地球化学(主要是有 机地球化学、元素地球化学和同位素地球化学)等多 学科相结合的研究方法,采用油藏储层与烃源岩分 类精细对比的新思路,充分运用国内外油藏储层固 体一流体微区定量分析的新方法,选择我国陆相盆 地多源多期复杂油藏为研究对象,通过对油藏储层 中自生矿物的叠置关系、晶体结构、同位素和微量元 素特征的定量分析,建立判识储层自生矿物形成次 序和形成环境的成因标志,确定自生矿物形成温度 和形成年龄。通过使用微区一谱学方法对储层自生 矿物包裹体的有机组份、元素组成和同位素特征的 定量分析,科学地分离油藏储层中固体沥青、游离 烃、封闭烃、束缚烃、自生碳酸盐矿物包裹体烃和自 生硅酸盐矿物包裹体烃,定量测定各主要充注期烃 类生物标志化合物、单体烃同位素和微量元素组成。 综合分析上述定量测定数据,确定油藏主要油气充 注期的发生时间和顺序,归纳和总结不同充注期有 维普资讯 .16 机流体的地球化学特征。在此基础上,通过对盆地中 可能烃源岩的有机地球化学、元素地球化学和同位 素地球化学特征进行定量分析,并与油藏储层微区 定量分析数据进行分类对比,查明不同充注期次烃 类的来源和贡献,遴选出具有对比意义的“指纹”特 征数据,总结油藏储集岩内烃类组分与烃源岩地球 化学特征精细对比的研究方法和技术路线,为建立 我国多源多期复杂油藏的储层内烃类组分与烃源岩 对比新理论和新方法奠定基础。开展本项研究,不仅 对我国油藏地球化学研究领域跟踪并赶超世界先进 水平具有较高的理论意义,而且对于指导我国多源 多期复杂油藏的勘探、进行陆相叠合盆地油气资源 的评价具有重要的实践意义。 参考文献 [2] [3] [8] [9] [1o] [11] [12] 方少仙,侯方浩.石油天然气储层地质学[M].东营:石油大学 出版社,1998.56 K.in ].987,15(6):295—298. 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